KAJIAN NUMERIK PENGARUH GEOMETRI PIG LAUNCHER PADA PROSES PIG LAUNCHING DI PROYEK JAKARTA TANK TERMINAL (PHASE 2A1)

(1)

KAJIAN NUMERIK PENGARUH GEOMETRI PIG LAUNCHER

PADA PROSES PIG LAUNCHING DI PROYEK JAKARTA TANK

TERMINAL (PHASE 2A1)

Ahmad Wildan Hakim1*_{, Emie Santoso}2_{, Burniadi Moballa}3

Program Studi Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Indonesia1*

Program Studi Teknik Permesinan Kapal, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Indonesia2,3

Email: [email protected]*

Abstract - The current design of the cleaning tool used for oil pipe pipes is largely based on the results of experimental information. So there are still questions regarding the behavior of this tool during the launch of the Pig. This study aims to model the pig launching process using the CFD method and then analyze the influence of the pig launcher geometry on the process of translating the pig from the barrel into the reducer and get the force received by the pig on each variation, thus obtaining the most optimal pig launcher geometry. Foam pig and pig launcher are modeled using the Salome Platform and then imported into StarCCM+ software for grid independence, setup simulation, solution simulation and simulation parameter analysis. In the results of the simulation there is a color difference that indicates the big velocity in the pig launcher, the difference in each variation shows the angle of eccentric reducer also affects the velocity profile so that it affects pig translation behavior in the pig Launcher. The geometry of pig launcher eccentric reducer 5 ̊ is the most optimal geometry among the three variations based on the average of each parameter is the smallest translation in the mean y-axis and Z-7.32 e-05 m and 6.72 e-03 m, the average force largest directional axis x 3.332 N, the largest velocity average of the x-axis direction is 0.3425 m/s, and the smallest pig orientation is-0.2682 ̊.

Keyword: Pigging, Pig Launcher, Pig Launching, Eccentric Reducer dan Overset Mesh Nomenclature: Re : Reynolds Number ρ : Density (kg/m3₎ v : Velocity (m/s) D : Inside Diameter (m) μ : Dynamic Viscosity (kg/m.s) V : Volume (m3₎ I : Turbulence Intensity

l : Turbulence Length Scale (m) k : Turbulence Kinetic Energy (J/kg) ω : Turbulence Omega (s)

1. PENDAHULUAN

PT Jakarta Tank Terminal Phase 2A Project adalah sebuah proyek pengembangan dan perluasan distribusi bahan bakar yang mengalirkan fluida

Mogas, Fame/biodiesel dan Ethanol. Dalam

pendistribusiannya tentunya menggunakan sistem perpipaan yang kompleks. Ketika sistem perpipaan

menyalurkan fluida, maka keandalan sistem

pengaliran fluida harus terjamin. Hambatan dan losses yang terjadi dalam pipa penyalur harus dihindari, supaya fluida bisa mengalir dengan lancar. Agar dapat mencapai tujuan, maka hasrus secara rutin dilakukan pembersihan pada bagian dalam pipa. Penelitian tentang pigging telah dilakukan oleh berbagai ahli. Nguyen [4] telah melakukannya dalam bentuk simulasi, pada rangkaian sistem perpipaan

gas. Selanjutnya Minami bersama Shoham [3], Hoi [2] dan Saeidbakhsh [5] sudah melakukan pemodelan dalam bidang tiga dimensi untuk dinamika pig. Saat ini desain alat pembersih yang digunakan untuk pipa penyalur minyak sebagian besar berdasarkan dari hasil informasi eksperimen. Perusahaan besar dan pusat penelitian, merancang alat yang tepat untuk operasi mereka, tetapi masih ada pertanyaan yang berkenaan dengan perilaku alat ini di saat proses peluncuran pig. Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan dalam CFD memungkinkan untuk menganalisa fenomena kompleks dalam banyak aplikasi di industri, dan berpartisipasi dalam peningkatan teknologi.

Pada tugas akhir ini akan dilakukan pemodelan proses pigging menggunakan metode CFD pada saat translasi pig dari barrel ke reducer pada pig launcher. Serta perhitungan besar gaya yang diberikan terhadap pig pada setiap variasi geomeri pig launcher ditinjau dari sisi fluid-solid interaction. Fokus penelitian ini untuk mendapatkan geometri launcher dan sudut eccentric. reducer yang paling optimal pada pig launcher.

2. METODOLOGI

2.1. Diagram Alir

Proceeding 4rd Conference of Piping Engineering and its Application e-ISSN No.2656-0933

(2)

Gambar 1.1 Diagram alir penelitian

2.2. Validasi

Penelitian ini memerlukan validator untuk

menentukan setup yang sesuai dengan case yang serupa. Validator pada penelitian ini menggunakan jurnal yang berjudul “CFD Analsys Of Phenomena Attribute To Pigging Run In A Pipeline” oleh Manuel A. Borregales[1]. Pada tugas akhir ini penulis melakukan validasi result terbaik dari jurnal dengan melalui 4 tahap, yaitu model, mesh, setup, dan result. Berikut adalah hasil validasi grafik dari simulasi yang diambil pada t = 3,5 s dan pada titik y 0.4875 dari tengah pig. Grafik sudah identic dengan paper.

Gambar 1. Hasil Validasi grafik kecepatan pada foam pig

2.3. Variasi

A. Pemodelan Foam Pig dan Pig Launcher Ecc. Reducer 25 ̊, 16 ̊, 5 ̊

Pemodelan dilakukan menggunakan software

platform Salome 8.3 dengan data dimensi pada table 1. Pig launcher dimodelkan solid, sedangkan pig dimodelkan seperti tabung solid yang di dalamnya terdapat rongga berbentuk geometri foam pig, kemudian akan diletakkan didalam barrel. Tabung solid tersebut digunakan sebagai overset saat disimulasikan.

Gambar 2. Detail ilustrasi pig launcher dan foam pig

Tabel 1. Geometri Validasi Paper

Parameter Nilai Simbol

Inside Diameter Nominal Bore

Section 1 ID2

Panjang Nominal Bore Section 1.652362 L2 Inside Diameter Barrel 1.255105 ID1

Panjang Barrel 2.959455 L1

Inside Diameter Kicker Line 0.211206 ID3 Panjang Kicker Line 0.739863 L3 Panjang Ecc. Reducer 25 ̊ 0.547499 L4 Panjang Ecc. Reducer 16 ̊ 0.877971 L4 Panjang Ecc. Reducer 5 ̊ 2.915063 L4 Sudut Eccentric Reducer 25 ̊, 16 ̊, 5 ̊ Ꝋ Tabel 2. Data model geometri Foam Pig

Parameter Nilai Simbol

Diameter 1 ID4

Panjang body 1.441896 L5

Panjang head pig 0.5 L6

Jarak peletakan pig 1.017559 L7 B. Grid Independence

Pada tahap ini akan ditentukan bentuk dan setting mesh yang sesuai dengan pig dan pig launcher supaya tidak terjadi error saat simulasi dijalankan, pada penelitian ini menggunakan automated mesh pada software StarCCM+14 untuk pig dan pig launcher. Tabel 3. Jumlah mesh

Mesh cells faces vertices

PL ecc. reducer 25 ̊ 526203 1559440 541097 PL ecc. reducer 16 ̊ 556359 1648621 571802 PL ecc. reducer 5 ̊ 747094 2215617 768620 C. Setup Simulasi

Pada tahap selanjutnya akan ditentukan setup yang sesuai dengan proses pigging sebenarnya. Setup dan simulasi menggunakan metode CFD dimana setting dapat dilakukan di region dan DFBI. Berikut adalah beberapa perhitungan yang perlu dilakukan :

1. Body mass yaitu rasio antara massa pig dibagi dengan massa nitrogen seukuran pig tersebut. Massa nitrogen = 𝑉 𝑝𝑖𝑔 𝑥 ρ nitrogen (1) Massa 𝑝𝑖𝑔 = 𝑉 𝑝𝑖𝑔 𝑥 ρ 𝑝𝑖𝑔 (2) 𝐵𝑜𝑑𝑦 𝑚𝑎𝑠𝑠 = Massa 𝑝𝑖𝑔

Massa nitrogen (3) 2. Reynolds Number dari Nominal Bore Section (pipa)

𝑅𝑒 =ρ x v x D

𝜇 (4)

(3)

3. Turbulence intensity

I = 0.16 x (𝑅𝑒)− 18 (5)

4. Turbulence length scale

𝑙 = 0.07 x 𝐿 (6)

5. Turbulent Kinetic Energy 𝑘 =3 2(U x I) 2₍₇₎ 6. Turbulence Omega

ω =

𝑘 1 2 𝐶𝜇14 𝑥 𝑙

(8)

7. U inlet (kecepatan di inlet) Uinlet Ainlet = Upipa Apipa

Uinlet=Upipa 𝑥 Apipa

Ainlet (9) D. Solution Simulasi

Pada setting boundaries dan solvers dilakukan beberapa penganturan dan penentuan solver agar simulasi sesuai yang diharapkan. Berikut pengaturan tersebut:

1. Boudaries

Pada region pig launcher yaitu InletPL (type kecepatan inlet), OutletPL (type pressure outlet), dan WallPL (type wall) sedangkan pada region pig yaitu innerwall (type wall) dan oversetPatch (type overset mesh).

2. Solvers

Pada penelitian ini solver yang dipakai yaitu implicit unsteady, 6-DOF solver, 6-DOF motion, load balancing, Partitioning, wall distance, segregated flow, Omega turbulence, dan K-Omega turbulence viscosity.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah simulasi dijalankan menggunakan metode CFD, hasil yang didapatkan berupa profil vector kecepatan dan report, dimana report berisi nilai yang kemudian akan dijadikan sebuah grafik gaya (arah sumbu x, dan y), grafik translasi (arah sumbu x, y dan z), grafik orientasi (arah sumbu x, y dan z), dan grafik kecepatan arah sumbu (x, y dan z). Grafik diambil dari waktu 0-1.428 detik dan dengan rentang waktu 0.001 detik. Berikut adalah grafik tersebut dan penjelasannya.

Gambar 3. Hasil profil vectorkecepatan dari simulasi pigging

Terlihat pada gambar 3 terdapat perbedaan warna yang menunjukkan besar kecepatan di dalam pig

launcher, warna merah dan jingga di inlet menunjukkan bahwa ada kecepatan yang tinggi yakni gas nitrogen yang mendorong foam pig supaya dapat meluncur. Kecepatan selain memiliki besaran juga memiliki arah atau disebut vector, terdapat panah kecil yang merepresentasikan arah kecepatan. Dengan ini dapat diketahui saat fluida di tembakkan mengarah tepat membentur belakang pig, kemudian mengarah ke dinding barrel dan terjadi seperti pusaran. Ada beberapa panah mengarah kekanan dan kekiri, seperti di sekeliling badan pig. Disekitar reducer juga terdapat panah yang tidak beraturan arahnya, bisa dipastikan bahwa disitu terjadi pusaran-pusaran aliran akibat kecepatan yang menabrak eccentric reducer. Sudah terbukti bahwa sudut eccentric reducer mempengaruhi proses pigging dilihat dari hasil grafik maupun gambar yang diperoleh dari simulasi yang dilakukan. Pada peneltian ini juga ingin diketahui bagaimana profil kecepatan di setiap variasi sehingga dibuat grafik kecepatan terhadap waktu. . Berdasarkan kesepakatan para ilmuan simbol kecepatan pada arah sumbu dibedakan menjadi tiga yaitu pada sumbu x = u, sumbu y = v, dan sumbu z = w.

Gambar 3. Grafik kecepatan pada pig arah sumbu x

Terlihat bahwa kecepatan arah sumbu x terus meningkat seiring waktu berjalan dan beberapa kali mengalami fluktuatif penurunan yang relatif kecil. Pada saat pig mendekati reducer mulai terlihat perbedaan yaitu pada waktu 0.98 detik.

Gambar 4. Grafik kecepatan pada pig arah sumbu y

Berbeda dengan grafik kecepatan arah x yang nilainya cukup tinggi, pada grafik kecepatan arah y dan arah z terlihat nilai sangat kecil pada waktu 1.428 detik variasi PL 25 ̊, PL 16 ̊, PL 5 ̊ yaitu dengan rata-rata 4.95e-04, 8.35e-05, dan 1.03e-04. Sedangkan PL Ecc. Reducer 25ᵒ

PL Ecc. Reducer 16ᵒ

PL Ecc. Reducer 5ᵒ

(4)

pada grafik kecepatan arah z dengan rata-rata -8.42e-03, -5.57e--8.42e-03, dan -1.79e-02.

Gambar 5. Grafik kecepatan pada pig arah sumbu z

Selain besar kecepatan yang didapatkan, kita juga dapat mengetahui posisi pig terhadap waktu melalui simulasi ini. Posisi pig diketahui berdasarkan koordinat pusat massa (center of mass) pig itu sendiri. Seperti pada gambar 6 terlihat grafik terus naik pada masing-masing variasi, hal itu menunjukkan bahwa pig terus bergerak kedepan (+x). Hasil yang didapatkan yaitu pergerakan pig pada pig launcher 5 ̊ lebih jauh daripada variasi 25 ̊dan 16 ̊.

Gambar 6. Grafik translasi pada pig arah sumbu x

Pada gambar 7 grafik terus fluktuatif naik dan turun menunjukkan bahwa pig bergerak kekanan (+y) dan kiri (-y). Hasil yang didapatkan yaitu pergerakan pig pada pig launcher 25 ̊ cenderung bergerak kekanan dengan rata- rata translasi 7.06e-05. Pergerakan terjauh kekanan dari variasi PL 25 ̊ sejauh 7.05e-04 saat 1.428 detik.

Gambar 7. Grafik translasi pada pig arah sumbu y

Pada gambar 8 terlihat grafik terus menurun pada masing-masing variasi, hal itu menunjukkan bahwa pig terus bergerak kebawah (-z). Hasil yang didapatkan yaitu pergerakan pig pada pig launcher 5 ̊ lebih jauh daripada variasi 25 ̊ dan 16 ̊.

Gambar 8.Grafik translasi pada pig arah sumbu z

Dengan grafik Orentation dapat diketahui berapa derajat sudut kemiringan dengan titik pusat pig itu sendiri. Pada gambar 9 menunjukkan pig mengalami sedikit kemiringan beberapa derajat pada acuan sumbu y, artinya pig tersebut sedikit menunduk kebawah sebelum kemudian mendongak keatas.

Gambar 9. Grafik orentasi pada pig arah sumbu y

Pada gambar 10 menunjukkan pig mengalami sedikit kemiringan beberapa derajat pada acuan sumbu z, artinya pig tersebut berbelok kearah kanan atau kiri. Pig launcher sudut 5 ̊ cenderung berbelok kekiri, sedangkan pig launcher 25 ̊ dan 16 ̊ kekanan.

Gambar 10. Grafik orentasi pada pig arah sumbu z

Gambar 11. Grafik gaya pada pig arah sumbu x

(5)

Pada grafik diatas merupakan nilai gaya (sumbu y grafik) dengan waktu (sumbu x grafik). Gaya yang dialami oleh dinding pig akibat dari hasil total force pressure dan force viscous masing-masing sumbu, semisal force pressure arah sumbu x akan dijumlahkan dengan force viscous arah sumbu x dan begitu juga dengan force di sumbu y.

Gambar 12. Grafik gaya pada pig arah sumbu y

Pada kedua grafik gaya terlihat fluktuasi naik dan turun yang berbeda pada masing-masing variasi. Nilai minus menunjukkan pig terdorong kebelakang (-x) dan kekiri (-y) sedangkan nilai plus menunjukkan pig terdorong kedepan (+x) dan kekanan (+y).

4. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil analisa dan perhitungan, dapat menjadi kesimpulan sebagai berikut

1. Hasil simulasi terlihat perbedaan warna yang menunjukkan besar kecepatan dan arah aliran di dalam pig launcher, perbedaan hasil yang besar pada setiap variasi menunjukkan geometri pig launcher variasi sudut eccentric reducer juga mempengaruhi sehingga berdampak pada laju pig di dalam pig launcher.

2. Didapatkan nilai translasi pig tertinggi bergerak kearah sumbu x yaitu pergerakan pig pada pig launcher 5 ̊ lebih jauh daripada variasi 25 ̊ dan 16 ̊, dengan translasi rata-rata 0,212 m, 0,211 m, dan 0,213 m. Nilai translasi tertinggi bergerak kearah sumbu y yaitu pada pig launcher 25 ̊ cenderung bergerak kekanan daripada variasi 16 ̊ dan 5 ̊, dengan dengan rata- rata translasi 7.06e-05 m, 9.37e-05 m, dan -7.32e-05 m. Nilai translasi tertinggi bergerak kearah sumbu z yaitu pada pig launcher 5 ̊ cenderung bergerak kebawah daripada variasi 16 ̊ dan 5 ̊, dengan ratarata -4.55e-03 m , -3.66e-03 m, dan -6.72e-03 m. Pergerakan pig diikuti kemiringan sudut dikarenakan saat tranlasi terjadi turbulensi. Nilai kemiringan sudut pada sumbu acuan z pada variasi PL 25 ̊ dan PL 16 ̊ cenderung berbelok kekanan, sedangkan PL 5 ̊ cenderung berbelok kekiri. Sedangkan pada sumbu acuan z pig tersebut awalnya cenderung menunduk kebawah sebelum kemudian mendongak keatas.

3. Gaya yang diterima oleh pig berbeda pada setiap variasi. Didapatkan nilai gaya tertinggi pada arah sumbu x artinya gaya yang mendorong pig

kedepan. Pada variasi pig launcher eccentric reducer 25 ̊, 16 ̊ dan 5 ̊ menunjukkan nilai gaya rata-rata sebesar 2,637 N, 3,164 N dan 3,332 N. Gaya rata-rata yang terjadi naik dengan naiknya sudut. Sedangkan gaya arah sumbu y semakin besar seiring bertambahnya waktu. Otomatis dengan adanya gaya yang besar maka akan

membuat kecepatan pig bertambah dan

didapatkan nilai kecepatan tertinggi terjadi searah sumbu x pada variasi pig launcher eccentric reducer 25 ̊, 16 ̊ dan 5 ̊ menunjukkan nilai dengan rata-rata 0.3207 m/s, 0.3286 m/s, dan 0.3425 m/s. Sedanglan pada arah sumbu y dan z kecepatan relative tidak terpengaruh dengan adanya perbedaan variasi sudut.

4. Geometri pig launcher eccentric reducer 5 ̊ adalah geometri yang paling optimal diantara ketiga variasi berdasarkan rata-rata dari setiap parameter yaitu rata-rata translasi terkecil kearah sumbu y dan z yaitu -7.32e-05 m dan 6.72e-03 m, rata gaya terbesar arah sumbu x 3,332 N, rata-rata kecepatan terbesar arah sumbu x 0.3425 m/s, dan pig orientasi terkecil yaitu -0,2682 ̊.

5. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarmya kepada :

1. Kedua orang tua yang telah memberikan doa, dukungan moril serta materil, dan segalanya bagi penulis.

2. Ibu Ir. Emie Santoso, M.T. dan Bapak Burniadi Moballa, S.T., M.Sc., yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan selama penyelesaian jurnal tugas akhir.

3. PT. Tripatra Engineers And Constuctors yang telah memberi kesempatan untuk On The Job Training di sana.

6. DAFTAR PUSTAKA

[1] Borregales, A M. Asuje, and Ruben E.(2014). CFD Analysis Of Phenomena Atrributed To Pigging Run In A Pipeline. IMECE,14: p.3-10 [2] Hoi, Che Yeung (2002). Modeling of Pig

Assisted Production Methods. J. Energy Resour. Technol., March 2002 , Volume 124, Issue 1, 8. [3] Minami, Kazuioshi and Shoham, Ovadia (1993) Pigging Dynamics in two-phase flow pipelines : Experiments and modeling, in 68th Annual Technical Conference and exhibition of the SPE, Houston Texas, 3-6 October 1993. [4] Nguyen T.T., Kim S.B., Yoo H.R., Rho Y.W.

(2001) Modeling and simulation for pig flow control in natural gas pipeline, KSME Int. J. 15, 8, 1165-1173.

[5] Saeidbakhsh, M. Rafeeyan and S. Ziaei-Rad, M. (2009). Dynamic Analysis of Small Pigs in Space Pipelines, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 64 (2009), No. 2, pp. 155-164.

(6)

(HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN)